特表 2025-505807 粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-02-28

(54)【発明の名称】粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20250220BHJP

   B01J 2/00 20060101ALI20250220BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 H

C23C14/34 B

C23C14/34 J

C23C14/34 M

C23C14/34 C

B01J2/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024548664

(86)(22)【出願日】2023-01-02

(85)【翻訳文提出日】2024-10-02

(86)【国際出願番号】 DE2023100000

(87)【国際公開番号】W WO2023160741

(87)【国際公開日】2023-08-31

(31)【優先権主張番号】102022104093.3

(32)【優先日】2022-02-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524231443

【氏名又は名称】クレマー レイナー

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】クレマー レイナー

【テーマコード（参考）】

4G004

4K029

【Ｆターム（参考）】

4G004BA02

4K029AA04

4K029AA07

4K029AA22

4K029BA08

4K029CA05

4K029DA02

4K029DC13

4K029DC16

4K029KA01

(57)【要約】

本発明は、アノード及び収集容器と共に排気可能な容器内に配置された、ターゲットとして機能する中空カソードを用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法及び装置に関する。効率的に機能し、取り扱いやすくするために、コーティングされる粉末状又は顆粒状の粒子を入口開口部に計量導入した後、０．３ｍ～１ｍの自由落下で中空カソードの真空内部を通過させて下部の収集容器内に収集することを提案する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターゲットとして機能する中空カソード（１１）を用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法であって、
コーティングされる前記粉末状又は顆粒状の粒子を入口開口部（１５）に計量導入した後、０．３ｍ～１ｍの自由落下で前記中空カソード（１１）の真空内部を通過させて下部の収集容器（１３）内に収集することを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記中空カソード（１１）の内部にパルスプラズマを発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

コーティングされる前記粒子をガス又はガス混合物と共に導入し、前記粒子は、中央に配置されたチューブ（１５）を介して前記中空カソードの内部に導入されることが好ましく、前記ガス又はガス混合物は、前記チューブ（１５）の周囲に延在する環状空間（１６）を介して導入されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記中空カソード（１１）は、直径が下部出口で先細りになることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在するネット（１４）によって、コーティングされた前記粉末の逆流を防止することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

ターゲットとして機能する中空カソード（１１）、アノード（１２）及び収集容器（１３）が内部に配置された排気可能な容器を用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする装置であって、
前記容器は、上部領域に粉末状又は顆粒状の粒子用及びガス又はガス混合物用の入口開口部（１５）を有し、前記入口開口部は、０．３ｍ～１ｍの垂直長さを有する前記中空カソード（１１）に開口し、前記入口開口部の下方には、コーティングされた粒子用の前記収集容器（１３）が配置されることを特徴とする、装置。

【請求項7】

前記カソード（１５）の内径が１０ｍｍ～３０ｍｍの間であり、出口開口部の直径が４ｍｍ～６ｍｍ、好ましくは５ｍｍであり、カソード内部（１１）は、好ましくは取り外し可能に取り付けられた、円錐形内部（１１２）を有する蓋（１１１）によって直径を先細りにすることを特徴とする、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

ネット（１４）が前記容器（１０）内に配置され、前記ネット（１４）は、前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在し、コーティングされた前記粉末を保持する役割を果たすことを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項9】

前記アノード（１２）は、水冷され、前記中空カソード（１１）の下方の領域まで延在し、この領域では、前記アノードは、粒子が通過する孔（１２１）を有することを特徴とする、請求項６～８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

ターゲットとして機能する前記中空カソード（１１）の内面が交換可能に配置され、好ましくは貴金属からなることを特徴とする、請求項６～９のいずれか一項に記載の装置。

【請求項11】

粒子供給用の供給装置が前記入口開口部（１５）の上方に設けられ、前記供給装置の内部には、好ましくは振動子（１５２）及び調整可能な弁（１５１）が配置されることを特徴とする、請求項６～１０のいずれか一項に記載の装置。

【請求項12】

前記粒子を前記中空カソード内部（１１）に導入する役割を果たす内径が０．８ｍｍ～１．２ｍｍであるチューブ（１５）が設けられ、前記チューブ（１５）は、ガス入口として形成された内径が３ｍｍ～５ｍｍである内部空間の中央に配置されることを特徴とする、請求項６～１１のいずれか一項に記載の装置。

【請求項13】

共通の（リング）アノードによって囲まれた複数の中空カソードが、カソードアレイ内に並列に配置されることを特徴とする、請求項６～１２のいずれか一項に記載の装置。

【請求項14】

消費電力が２ｋＷ～８ｋＷ、好ましくは３ｋＷ～６ｋＷであることを特徴とする、請求項６～１３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項15】

ロータリーベーンポンプ又はロータリーベーンポンプとルーツポンプとの組み合わせが排気のために使用されることを特徴とする、請求項６～１４のいずれか一項に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アノード及び収集容器と共に排気可能な容器内に配置された、ターゲットとして機能する中空カソードを用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスフロースパッタリング法では、霧化される材料を「ターゲット」の形態で真空中に置く。通常アルゴンを含む希ガスプラズマをプロセス容器内で燃え立たせ、ターゲットが放電のアノードとして切り替わる。ターゲット表面に対する希ガスイオンの強力な衝撃により、ターゲット材料を霧化し、チャンバ内にある基板上に凝縮する。このスパッタリング法は、比較的低温で実行できる。このような方法は、例えば、特許文献１に記載されている。このために、ターゲットとして機能する中空カソードを有する装置が使用される。不活性ガスが流入装置を介して中空カソードの内部に導入され、所望の中空カソードグロー放電が発生する。必要に応じて、追加の中空カソードによって追加の量の電荷担体を導入することができる。不活性ガスの流れにより、カソードから散布された粒子がハウジングの開口部を通過し、開口部の後ろに配置された基板に到達し、ターゲットから放出された粒子が基板に堆積してコーティングを形成する。

【0003】

特許文献２には、金属、金属合金、無機酸化物、ケイ酸塩、ゼオライトなどの粒子状材料にコバルト、バナジウム、銅、ステンレス鋼などの金属コーティングを設ける方法が記載されている。このために、内部に空洞が配置されたカソード材料と、カソード材料に近接して配置されかつカソード材料から隔離されたアノード材料と、からなる中空カソードプラズマ源が使用され、空洞は、単一の空洞又は複数の空洞であり、空洞は、個別にも複数でも、カソード材料の一方の側から他方の側まで連続して延在し、両側が開けられ、個々の空洞の直径が０．１ｍｍ～２０ｍｍである実質的に円筒形の断面を少なくとも部分的に有する。カソード空洞内のプラズマで粉末状材料を十分にコーティングするためには、コーティングされる材料をプラズマに複数回通過させる必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】独国特許発明第１９６３５６６９号明細書

【特許文献2】独国特許出願公開第１９８０４８３８号明細書

【発明の概要】

【0005】

これに基づいて、本発明の課題は、より効率的に機能し、取り扱いやすい方法及び装置を提供することである。

【0006】

この課題は、請求項１に記載の方法又は請求項６に記載の装置によって解決される。

【0007】

本発明によれば、コーティングされる粉末状又は顆粒状の粒子を入口開口部に計量導入した後、中空カソードの真空内部に導入し、自由落下で０．３ｍ～１ｍの距離を通過し、下部の収集容器内に収集する。このために、排気可能な容器は、ターゲットとして機能する中空カソード、アノード及び収集容器を有する。材料をコーティングするための排気可能な容器は、上部領域に粉末状又は顆粒状の粒子用及びガス又はガス混合物用の入口開口部を有し、入口開口部は、０．５ｍ～１ｍの垂直長さを有する中空カソードに開口し、入口開口部の下方には、コーティングされた粒子用の収集容器が配置される。数Ｐａの圧力で設定された真空のため、カソード内部に導入された粉末は、９．８１ｍ／ｓ^２の重力加速度を有する。落下時間については、０．５ｍの落下高さでは、約０．３ｓであり、１ｍの落下高さでは、０．４５ｓである。これは、落下高さが５倍増加してもコーティング時間が大幅に長くならないことを意味する。したがって、全体として、中空カソードを１回通過するだけで高い堆積速度を実現することができる。従属請求項から、より好ましい対策が得られる。例えば、プロセスの安定性を向上させることができるパルスプラズマを使用することが好ましい。

【0008】

本発明の更なる実施形態によれば、コーティングされる粒子をガス又はガス混合物と共に導入し、粒子は、中央に配置されたチューブを介して導入されることが好ましく、ガス又はガス混合物は、粒子供給用のチューブの周囲に延在する環状空間を介して導入される。この対策により、粉末状又は顆粒状の粒子の乱流挙動を設定できるため、これらの粒子の流入乱流により均一なコーティングが保証される。

【0009】

中空カソードの直径が下部出口で先細りになることにより、霧化材料が制御不能に排出されることを防止し、カソードを安定させる。粉末状又は顆粒状の粒子に堆積されなかったコーティング材料が中空カソードの反対側に再び堆積されるため、粒子の流れがないか又は不十分である場合に、静止状態が達成される。また、中空カソードの内部が下部出口で先細りになることにより、霧化材料が制御不能に排出されることも防止し、カソード内での粒子の堆積も防止する。

【0010】

本発明の更なる実施形態によれば、コーティングされた粉末の逆流が、収集容器から中空カソードの出口の上方の領域まで延在するえによって防止される。

【0011】

好ましくは、本発明に係る装置は、中空カソードの内径が１０ｍｍ～３０ｍｍであり、中空カソードの出口開口部の直径が４ｍｍ～６ｍｍ、好ましくは５ｍｍである。カソード内部は、好ましくは取り外し可能に取り付けられた、円錐形内部を有する蓋によって直径を先細りにする。取り外し可能に固定された蓋は、例えば回して外すことができるため、簡単に交換又は洗浄することができる。前述したように、コーティングされた粉末の逆流を防止するために、適切なメッシュサイズ（Ｍａｓｃｈｅｎｗｅｉｔｅ）を有するネット（Ｎｅｔｚ）を使用することが好ましい。

【0012】

アノード及び中空カソードは、水冷される。中空カソードは、例えば貴金属で製造され得る（ターゲット）インサートを有する。アノードは、中空カソードの下方の領域まで延在し、コーティングされた粒子が通過できる孔を有する。これらの開口部の直径は、好ましくは３０ｍｍ～４０ｍｍである。

【0013】

本発明の更なる実施形態によれば、粒子供給用の供給装置が粉末状又は顆粒状の粒子の入口開口部の上方に設けられ、供給装置の内部には、特に振動子及び調整可能な弁が配置される。これにより、材料詰まりを回避すると共に、均一な粒子供給を保証することができる。本発明の特定の実施形態では、中空カソードの内部に突出する粒子入口は、直径が０．８ｍｍ～１．２ｍｍ（好ましくは１ｍｍ）であるチューブで構成され、チューブは、ガス入口として形成された直径が３ｍｍ～５ｍｍである環状空間の中央に配置される。この寸法設定の利点は、入口領域での「燃焼プラズマ」の形成を回避するため、導入された粒子の溶融が起こらないことである。

【0014】

共通の（リング）アノードによって囲まれた複数の中空カソードをカソードアレイ内に並列に配置することにより、装置の効率を最適化する。これらの中空カソードのそれぞれは、粒子用及びガス又はガス混合物用の入口開口部を有する。このように、複数の中空カソードでコーティングを行うことができる。各中空カソードの下には、収集容器がある。コーティングプロセスの前に装置を十分に排気することができることを保証するために、ロータリーベーンポンプ又はロータリーベーンポンプとルーツポンプとの組み合わせを使用することが好ましい。必要な負圧（真空）に達した後にのみ、粒子及びガス供給が既存の弁を介して実行される。真空チャンバ及び収集容器は、電位がない。中空カソードあたりの選択された消費電力は、約２ｋＷ～８ｋＷ、好ましくは３ｋＷ～６ｋＷである。

【0015】

特定の実施形態では、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３粉末がＣｕでコーティングされる。Ａｌ_２Ｏ_３粉末は、粒度がメッシュサイズ５００に相当する。例えば、ＳｉＣ、ＷＣグラファイト又はＴｉ_３Ｏ_５粉末も同様にコーティングされ得る。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】２つの水冷式中空カソード１１及び水冷式アノード１２を含む排気可能な容器１０で構成される装置の概略構造を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

唯一の図は、２つの水冷式中空カソード１１及び水冷式アノード１２を含む排気可能な容器１０で構成される装置の概略構造を示しており、このアノードは、中空カソード１１の下方の領域まで延在し、コーティングされた粉末状又は顆粒状の材料が示されている２つの収集容器１３のうちの１つに入ることができる孔１２１を有する。

【0018】

同じく示されているネット１４は、両方の収集容器１３を全周で囲み、中空カソードの内部の出口開口部１２１の上方の領域まで上向きに延在する。粉末は、ガス供給用に同心円状に配置された環状空間１６によって囲まれた管状の入口１５から供給される。容器１０全体は、出口１０１に接続されたポンプ、好ましくはロータリーベーンポンプとルーツポンプとの組み合わせによって排気できる。粉末状の粒子を供給するチューブ１５が制御可能な弁１５１及び振動子１５２の両方を有するため、供給ホッパーを振動させて、粉末供給中に凝集することを防止する。

【0019】

中空カソードは、下部領域に蓋１１１を有し、この蓋は、回して外すことができ、中空カソードの残りの部分に取り付けられている。この蓋が内部に先細り１１２を有することにより、中空カソードの内径を１．５ｃｍ～３ｃｍの幅から約５ｍｍの直径に低減することができる。

【図】

【手続補正書】

【提出日】2024-10-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターゲットとして機能する中空カソード（１１）を用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする方法であって、
コーティングされる前記粉末状又は顆粒状の粒子を入口開口部（１５）に計量導入した後、０．３ｍ～１ｍの自由落下で前記中空カソード（１１）の真空内部を通過させて下部の収集容器（１３）内に収集することを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記中空カソード（１１）の内部にパルスプラズマを発生させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

コーティングされる前記粒子をガス又はガス混合物と共に導入し、前記粒子は、中央に配置されたチューブ（１５）を介して前記中空カソードの内部に導入されることが好ましく、前記ガス又はガス混合物は、前記チューブ（１５）の周囲に延在する環状空間（１６）を介して導入されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記中空カソード（１１）は、直径が下部出口で先細りになることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項5】

前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在するネット（１４）によって、コーティングされた前記粒子の逆流を防止することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項6】

ターゲットとして機能する中空カソード（１１）、アノード（１２）及び収集容器（１３）が内部に配置された排気可能な容器を用いてガスフロースパッタリング法によって粉末状又は顆粒状の粒子をコーティングする装置であって、
前記容器は、上部領域に粉末状又は顆粒状の粒子用及びガス又はガス混合物用の入口開口部（１５）を有し、前記入口開口部は、０．３ｍ～１ｍの垂直長さを有する前記中空カソード（１１）に開口し、前記入口開口部の下方には、コーティングされた粒子用の前記収集容器（１３）が配置されることを特徴とする、装置。

【請求項7】

前記中空カソード（１１）の内径が１０ｍｍ～３０ｍｍの間であり、出口開口部の直径が４ｍｍ～６ｍｍ、好ましくは５ｍｍであり、前記中空カソード（１１）内部は、好ましくは取り外し可能に取り付けられた、円錐形内部（１１２）を有する蓋（１１１）によって直径を先細りにすることを特徴とする、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

ネット（１４）が前記容器（１０）内に配置され、前記ネット（１４）は、前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在し、コーティングされた前記粒子を保持する役割を果たすことを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項9】

前記アノード（１２）は、水冷され、前記中空カソード（１１）の下方の領域まで延在し、この領域では、前記アノードは、粒子が通過する孔（１２１）を有することを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項10】

ターゲットとして機能する前記中空カソード（１１）の内面が交換可能に配置され、好ましくは貴金属からなることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項11】

粒子供給用の供給装置が前記入口開口部（１５）の上方に設けられ、前記供給装置の内部には、好ましくは振動子（１５２）及び調整可能な弁（１５１）が配置されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項12】

前記粒子を前記中空カソード（１１）内部に導入する役割を果たす内径が０．８ｍｍ～１．２ｍｍであるチューブ（１５）が設けられ、前記チューブ（１５）は、ガス入口として形成された内径が３ｍｍ～５ｍｍである内部空間の中央に配置されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項13】

共通の（リング）アノードによって囲まれた複数の中空カソードが、カソードアレイ内に並列に配置されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項14】

消費電力が２ｋＷ～８ｋＷ、好ましくは３ｋＷ～６ｋＷであることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項15】

ロータリーベーンポンプ又はロータリーベーンポンプとルーツポンプとの組み合わせが排気のために使用されることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。

【請求項16】

前記中空カソード（１１）は、直径が下部出口で先細りになることを特徴とする、請求項３に記載の方法。

【請求項17】

前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在するネット（１４）によって、コーティングされた前記粒子の逆流を防止することを特徴とする、請求項３に記載の方法。

【請求項18】

前記収集容器（１３）から前記中空カソード（１１）の出口の上方の領域まで延在するネット（１４）によって、コーティングされた前記粒子の逆流を防止することを特徴とする、請求項４に記載の方法。

【請求項19】

前記アノード（１２）は、水冷され、前記中空カソード（１１）の下方の領域まで延在し、この領域では、前記アノードは、粒子が通過する孔（１２１）を有することを特徴とする、請求項８に記載の装置。

【請求項20】

粒子供給用の供給装置が前記入口開口部（１５）の上方に設けられ、前記供給装置の内部には、好ましくは振動子（１５２）及び調整可能な弁（１５１）が配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。

【請求項21】

前記粒子を前記中空カソード（１１）内部に導入する役割を果たす内径が０．８ｍｍ～１．２ｍｍであるチューブ（１５）が設けられ、前記チューブ（１５）は、ガス入口として形成された内径が３ｍｍ～５ｍｍである内部空間の中央に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。

【請求項22】

前記粒子を前記中空カソード（１１）内部に導入する役割を果たす内径が０．８ｍｍ～１．２ｍｍであるチューブ（１５）が設けられ、前記チューブ（１５）は、ガス入口として形成された内径が３ｍｍ～５ｍｍである内部空間の中央に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。

【請求項23】

共通の（リング）アノードによって囲まれた複数の中空カソードが、カソードアレイ内に並列に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。

【請求項24】

共通の（リング）アノードによって囲まれた複数の中空カソードが、カソードアレイ内に並列に配置されることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。

【国際調査報告】